Термоэлектронная эмиссия это в физике кратко

Обновлено: 05.07.2024

Теорию термоэлектронной эмиссии разработал в 1902 О.Ричардсон; в более позднем ее варианте ток с единицы поверхности нагретого металла, находящейся при однородной абсолютной температуре Т, определяется формулой

где А – постоянный множитель, k – постоянная Больцмана, а W – работа выхода, характерная для данного металла, но зависящая от состояния его поверхности; она равна минимальной энергии, необходимой для удаления электрона с поверхности металла. В 1927 С.Дэшман вывел формулу Ричардсона на основе квантовой механики и установил, что множитель A имеет вид

Эмиссия электронов остается незначительной, пока Т не достигнет значения W/k. Поэтому в целях снижения потерь тепла и расхода энергии большие усилия были направлены на создание поверхностей с возможно более низкой работой выхода. В современных электронных лампах почти всегда применяются оксидные катоды, в которых достигается оптимальный компромисс между низкой работой выхода, стоимостью, долговечностью и механической прочностью. См. также ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ.

Херинг К., Никольс М. Термоэлектронная эмиссия. М., 1950
Фоменко В.С. Эмиссионные свойства материалов. Киев, 1970

Сегодня в фокусе внимания термоэлектронная эмиссия. Рассматриваются варианты названия эффекта, его проявление в среде и в вакууме. Исследуются температурные пределы. Определяются зависимые составляющие плотности тока насыщения термоэлектронной эмиссии.

Названия эффекта термоэлектронной эмиссии

Определение термоэлектронной эмиссии

Явление термоэлектронной эмиссии состоит в том, что из металлов при высокой температуре выходят электроны. Таким образом, нагретое железо, олово или ртуть являются источником этих элементарных частиц. Механизм строится на том, что в металлах существует особая связь: кристаллическая решетка положительно заряженных ядер является как бы общей базой для всех электронов, которые образуют облако внутри структуры.

Таким образом, среди отрицательно заряженных частиц, которые находятся вблизи поверхности, всегда найдутся такие, у которых достаточно энергии, чтобы покинуть объем, то есть преодолеть потенциальный барьер.

Температура эффекта термоэлектронной эмиссии

Благодаря металлической связи вблизи поверхности любого металла найдутся электроны, у которых достаточно сил для преодоления потенциального барьера выхода. Однако из-за этого же разброса энергий одна частица едва отрывается от кристаллической структуры, а другая вылетает и преодолевает некоторое расстояние, ионизируя среду вокруг себя. Очевидно, что чем больше кельвинов в среде, тем больше электронов приобретают способность покинуть объем металла. Таким образом, встает вопрос о том, какова температура термоэлектронной эмиссии. Ответ непрост, и рассматривать мы будем нижнюю и верхнюю границы существования этого эффекта.

Температурные пределы термоэлектронной эмиссии

Связь позитивных и негативных частиц в металлах обладает рядом особенностей, среди которых очень плотное распределение энергий. Электроны, являясь фермионами, занимают каждый свою энергетическую нишу (в отличие от бозонов, которые способны находиться все в одном состоянии). Несмотря на это, разница между ними настолько мала, что спектр может считаться непрерывной, а не дискретной величиной.

В свою очередь это приводит к большой плотности состояний электронов в металлах. Однако даже при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, (напомним, это ноль кельвинов, или примерно минус двести семьдесят три градуса по Цельсию) будут находиться электроны с большей и меньшей энергией, так как все они одновременно не смогут быть в низшем состоянии. Значит, при определенных условиях (тонкая фольга) очень редко выход электрона из металла будет наблюдаться даже при экстремально низких температурах. Таким образом, нижним пределом температуры термоэлектронной эмиссии может считаться значение, близкое к абсолютному нулю.

С другой стороны температурной шкалы стоит плавление металла. Согласно физико-химическим данным, у всех материалов этого класса данная характеристика различается. Иными словами, металлов с одинаковой температурой плавления не существует. Ртуть или жидкость при нормальных условиях переходит из кристаллической формы уже при минус тридцати девяти градусах Цельсия, тогда как вольфрам - при трех с половиной тысячах.

Однако все эти пределы роднит одно – металл перестает быть твердым телом. А значит, законы и эффекты меняются. И говорить о том, что в расплаве существует термоэлектронная эмиссия, не приходится. Таким образом, верхним пределом этого эффекта становится температура плавления металла.

Термоэлектронная эмиссия в условиях вакуума

Все рассмотренное выше относится к явлению в среде (например, на воздухе или в инертном газе). Теперь обратимся к вопросу, что такое термоэлектронная эмиссия в вакууме. Для этого опишем простейший прибор. В колбу, из которой откачали воздух, помещают тонкий стержень из металла, к которому подводят отрицательный полюс источника тока. Заметим, что материал должен плавиться при достаточно высоких температурах, чтобы во время эксперимента не потерять кристаллическую структуру. Полученный таким образом катод окружают цилиндром из другого металла и подсоединяют к нему положительный полюс. Естественно, анод тоже находится в заполненном вакуумом сосуде. При замыкании цепи получаем ток термоэлектронной эмиссии.

Примечательно то, что в этих условиях зависимость тока от напряжения при не меняющейся температуре катода подчиняется не закону Ома, а закону трех вторых. Еще он назван именем Чайлда (в других версиях Чайлда-Ленгмюра и даже Чайлда-Ленгмюра-Богуславского), а в немецкоязычной научной литературе – уравнением Шоттки. При увеличении напряжения в такой системе в определенный момент все электроны, вырываемые из катода, достигают анода. Это называется током насыщения. На вольт-амперной характеристике это выражается в том, что кривая выходит на плато, и дальнейшее увеличение напряжения не эффективно.

Формула термоэлектронной эмиссии

Таковы особенности, которыми обладает термоэлектронная эмиссия. Формула достаточно сложная, поэтому приводить её здесь не будем. К тому же её легко найти в любом справочнике. Вообще, формулы термоэлектронной эмиссии как таковой не существует, рассматривают только плотность тока насыщения. Эта величина зависит от материала (который определяет работу выхода) и термодинамической температуры. Все остальные составляющие формулы – константы.

На основании термоэлектронной эмиссии работает множество приборов. Например, старые большие телевизоры и мониторы в основе имеют именно этот эффект.

1. Термоэлектронная эмиссия –это испускание электронов нагретыми металлами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растёт и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Исследование зависимостей термоэлектронной зависимости можно привести с помощью простейшей двухэлектродной лампы – вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий 2 электрода: катод K и анод А. В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла, накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Если диод включить в цепь, как это показано на рисунке 1, то при накаливании катода и подачи на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи возникает ток. Если поменять полярность батареи Б_а, то ток прекращается, как бы сильно катод не накаливали. Следовательно катод испускает отрицательные частицы – электроны.

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока от анодного напряжения - вольт-амперную характеристику (рис 2.), то оказывается, что она не является линейной, т. е. для вакуумного диода закон Ома не выполняется.

Вся современная радиоаппаратура работает на основе полупроводниковых диодов и триодов .

О них будет говориться в следующей статье, а сейчас кратко скажем о их предшественниках - электронных лампах. Этим отдадим дань уважения и выразим благодарность разработчикам радиоаппаратуры на основе электронных ламп.

К тому же, говоря о полупроводниковых диодах и триодах перед глазами невольно встают и сравниваются с ними двухэлектродная и трёхэлектродная электронные лампы.

Сначала о явлении термоэлектронной эмиссии .

Опыты показывают, что если отрицательно заряженный электрод ( катод ) нагреть до высокой температуры, то он испускает электроны (катодные лучи).

То, что катодные лучи - это движущиеся электроны, можно было предположить, так как на катоде свободные электроны находятся в избытке.

Ряд проведённых опытов подтверждает это предположение.

На рисунке показан опыт, когда на пути катодных лучей помещался полый электрод, соединённый с чувствительным электроскопом. подтверждающий что катодные лучи несут отрицательный заряд.

На следующем рисунке показаны опыты, подтверждающие, что катодные лучи направлены под прямым углом к поверхности катода и распространяются прямолинейно . Это видно на экране покрытом люминесцирующим веществом.

Читайте также: